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Thermokarst dynamics in central-eastern Beringia

Thermokarstdynamik im zentral-östlichen Beringia

  • Widespread landscape changes are presently observed in the Arctic and are most likely to accelerate in the future, in particular in permafrost regions which are sensitive to climate warming. To assess current and future developments, it is crucial to understand past environmental dynamics in these landscapes. Causes and interactions of environmental variability can hardly be resolved by instrumental records covering modern time scales. However, long-term environmental variability is recorded in paleoenvironmental archives. Lake sediments are important archives that allow reconstruction of local limnogeological processes as well as past environmental changes driven directly or indirectly by climate dynamics. This study aims at reconstructing Late Quaternary permafrost and thermokarst dynamics in central-eastern Beringia, the terrestrial land mass connecting Eurasia and North America during glacial sea-level low stands. In order to investigate development, processes and influence of thermokarst dynamics, several sediment cores fromWidespread landscape changes are presently observed in the Arctic and are most likely to accelerate in the future, in particular in permafrost regions which are sensitive to climate warming. To assess current and future developments, it is crucial to understand past environmental dynamics in these landscapes. Causes and interactions of environmental variability can hardly be resolved by instrumental records covering modern time scales. However, long-term environmental variability is recorded in paleoenvironmental archives. Lake sediments are important archives that allow reconstruction of local limnogeological processes as well as past environmental changes driven directly or indirectly by climate dynamics. This study aims at reconstructing Late Quaternary permafrost and thermokarst dynamics in central-eastern Beringia, the terrestrial land mass connecting Eurasia and North America during glacial sea-level low stands. In order to investigate development, processes and influence of thermokarst dynamics, several sediment cores from extant lakes and drained lake basins were analyzed to answer the following research questions: 1. When did permafrost degradation and thermokarst lake development take place and what were enhancing and inhibiting environmental factors? 2. What are the dominant processes during thermokarst lake development and how are they reflected in proxy records? 3. How did, and still do, thermokarst dynamics contribute to the inventory and properties of organic matter in sediments and the carbon cycle? Methods applied in this study are based upon a multi-proxy approach combining sedimentological, geochemical, geochronological, and micropaleontological analyses, as well as analyses of stable isotopes and hydrochemistry of pore-water and ice. Modern field observations of water quality and basin morphometrics complete the environmental investigations. The investigated sediment cores reveal permafrost degradation and thermokarst dynamics on different time scales. The analysis of a sediment core from GG basin on the northern Seward Peninsula (Alaska) shows prevalent terrestrial accumulation of yedoma throughout the Early to Mid Wisconsin with intermediate wet conditions at around 44.5 to 41.5 ka BP. This first wetland development was terminated by the accumulation of a 1-meter-thick airfall tephra most likely originating from the South Killeak Maar eruption at 42 ka BP. A depositional hiatus between 22.5 and 0.23 ka BP may indicate thermokarst lake formation in the surrounding of the site which forms a yedoma upland till today. The thermokarst lake forming GG basin initiated 230 ± 30 cal a BP and drained in Spring 2005 AD. Four years after drainage the lake talik was still unfrozen below 268 cm depth. A permafrost core from Mama Rhonda basin on the northern Seward Peninsula preserved a full lacustrine record including several lake phases. The first lake generation developed at 11.8 cal ka BP during the Lateglacial-Early Holocene transition; its old basin (Grandma Rhonda) is still partially preserved at the southern margin of the study basin. Around 9.0 cal ka BP a shallow and more dynamic thermokarst lake developed with actively eroding shorelines and potentially intermediate shallow water or wetland phases (Mama Rhonda). Mama Rhonda lake drainage at 1.1 cal ka BP was followed by gradual accumulation of terrestrial peat and top-down refreezing of the lake talik. A significant lower organic carbon content was measured in Grandma Rhonda deposits (mean TOC of 2.5 wt%) than in Mama Rhonda deposits (mean TOC of 7.9 wt%) highlighting the impact of thermokarst dynamics on biogeochemical cycling in different lake generations by thawing and mobilization of organic carbon into the lake system. Proximal and distal sediment cores from Peatball Lake on the Arctic Coastal Plain of Alaska revealed young thermokarst dynamics since about 1,400 years along a depositional gradient based on reconstructions from shoreline expansion rates and absolute dating results. After its initiation as a remnant pond of a previous drained lake basin, a rapidly deepening lake with increasing oxygenation of the water column is evident from laminated sediments, and higher Fe/Ti and Fe/S ratios in the sediment. The sediment record archived characterizing shifts in depositional regimes and sediment sources from upland deposits and re-deposited sediments from drained thaw lake basins depending on the gradually changing shoreline configuration. These changes are evident from alternating organic inputs into the lake system which highlights the potential for thermokarst lakes to recycle old carbon from degrading permafrost deposits of its catchment. The lake sediment record from Herschel Island in the Yukon (Canada) covers the full Holocene period. After its initiation as a thermokarst lake at 11.7 cal ka BP and intense thermokarst activity until 10.0 cal ka BP, the steady sedimentation was interrupted by a depositional hiatus at 1.6 cal ka BP which likely resulted from lake drainage or allochthonous slumping due to collapsing shore lines. The specific setting of the lake on a push moraine composed of marine deposits is reflected in the sedimentary record. Freshening of the maturing lake is indicated by decreasing electrical conductivity in pore-water. Alternation of marine to freshwater ostracods and foraminifera confirms decreasing salinity as well but also reflects episodical re-deposition of allochthonous marine sediments. Based on permafrost and lacustrine sediment records, this thesis shows examples of the Late Quaternary evolution of typical Arctic permafrost landscapes in central-eastern Beringia and the complex interaction of local disturbance processes, regional environmental dynamics and global climate patterns. This study confirms that thermokarst lakes are important agents of organic matter recycling in complex and continuously changing landscapes.show moreshow less
  • Derzeit werden deutliche Landschaftsveränderungen in der Arktis beobachtet, welche sich höchstwahrscheinlich zukünftig v.a. in den Permafrostregionen verstärken, da diese besonders empfindlich auf Klimaveränderungen reagieren. Um derzeitige und zukünftige Entwicklungen einschätzen zu können, ist es wichtig vergangene Umweltprozesse zu verstehen. Ursachen und Wechselwirkungen von Umweltveränderungen können nur bedingt durch instrumentelle Aufzeichnungen erklärt werden, doch Paleo-Umweltarchive können weit in die Vergangenheit reichende Umweltdynamiken aufzeichnen. Seesedimente sind wichtige Archive, die lokale limnogeologische Prozesse, aber auch direkt oder indirekt klimatisch gesteuerte Umweltveränderungen der Vergangenheit aufzeichnen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, spätquartäre Permafrost- und Thermokarstdynamik im zentral-östlichen Beringia zu rekonstruieren. Beringia umfasst jene terrestrische Landmasse, welche Eurasien und Nord-Amerika zu Zeiten von Meeresspiegeltiefständen verband. Um die Entwicklung, die Prozesse und denDerzeit werden deutliche Landschaftsveränderungen in der Arktis beobachtet, welche sich höchstwahrscheinlich zukünftig v.a. in den Permafrostregionen verstärken, da diese besonders empfindlich auf Klimaveränderungen reagieren. Um derzeitige und zukünftige Entwicklungen einschätzen zu können, ist es wichtig vergangene Umweltprozesse zu verstehen. Ursachen und Wechselwirkungen von Umweltveränderungen können nur bedingt durch instrumentelle Aufzeichnungen erklärt werden, doch Paleo-Umweltarchive können weit in die Vergangenheit reichende Umweltdynamiken aufzeichnen. Seesedimente sind wichtige Archive, die lokale limnogeologische Prozesse, aber auch direkt oder indirekt klimatisch gesteuerte Umweltveränderungen der Vergangenheit aufzeichnen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, spätquartäre Permafrost- und Thermokarstdynamik im zentral-östlichen Beringia zu rekonstruieren. Beringia umfasst jene terrestrische Landmasse, welche Eurasien und Nord-Amerika zu Zeiten von Meeresspiegeltiefständen verband. Um die Entwicklung, die Prozesse und den Einfluss von Thermokarstdynamik zu untersuchen, wurden mehrere Sedimentkerne von rezenten Seen und ausgelaufenen Seebecken analysiert, um folgende Forschungsfragen zu beantworten: 1. Zu welcher Zeit degradierte Permafrost und wann entwickelten sich Thermokarstseen? Was waren hemmende oder verstärkende Faktoren? 2. Was sind dominierende Prozesse während der Entwicklung von Thermokarstseen und wie spiegeln sich diese in Proxy-Aufzeichnungen wieder? 3. Wie hat Thermokarstdynamik damals und heute zur Bedeutung von organischer Substanz in Sedimenten und im Kohlenstoffkreislauf beigetragen? Die in dieser Arbeit angewandten Methoden basieren auf einem sogenannten „multi-proxy“ Ansatz, der sedimentologische, geochemische, geochronologische und mikropaläontologische Analysen, sowie die Untersuchung von stabilen Isotopen und die Hydrochemie von Porenwasser und -eis, verbindet. Feldmessungen der modernen Wasserqualität und Beckenmorphometrie komplettieren die Umweltuntersuchungen. Auf Grundlage der untersuchten Sedimentkerne lässt sich die Degradation von Permafrost und die Dynamik von Thermokarst auf zeitlich verschiedenen Skalen rekonstruieren. Die Analyse eines Sedimentkerns vom GG-Becken auf der nördlichen Seward-Halbinsel (Alaska) zeigt eine vorwiegend terrestrische Akkumulation von Yedoma während des Früh- und Mittel-Wisconsin mit zwischenzeitlich feuchteren Verhältnissen zwischen 44,5 und 41,5 ka BP. Diese frühe Feuchtgebietsphase wurde durch die Akkumulation einer 1 m dicken Tephra-Lage beendet, welche sehr wahrscheinlich von der Eruption des heutigen South Killeak Maar vor etwa 42.000 Jahren stammt. Eine Schichtlücke im Sedimentkern von etwa 22,5 und 0,23 ka BP gibt einen Hinweis auf Thermokarstentwicklung in der Umgebung der Kernlokation, welche bis heute ein Yedoma-Rudiment bildet. Der Thermokarstsee, der GG-Becken formte, entstand 230 ± 30 cal a BP und drainierte im Frühling 2005 AD. Vier Jahre nach der Drainage war der Talik des Sees in einer Tiefe von 268 cm noch ungefroren. Ein Permafrostkern vom Mama Rhonda-Becken auf der nördlichen Seward-Halbinsel archivierte eine vollständige limnische Fazies mit mehreren Seephasen. Die erste Seegeneration entstand am Übergang vom Spätglazial zum Frühholozän um etwa 11,8 cal ka BP; das alte Seebecken (Grandma Rhonda) ist bis heute südlich der Kernlokation erhalten. Etwa um 9,0 cal ka BP entwickelte sich ein eher flaches und dynamisches Seesystem mit aktiv erodierenden Ufern und potenziell zwischengeschalteten Flachwasser- oder Feuchtgebietsphasen (Mama Rhonda). Die Drainage vom Mama Rhonda-See etwa 1,1 cal ka BP wurde gefolgt von gradueller Torfakkumulation und einem von oben zurückfrierenden See-Talik Es wurde ein deutlich geringerer organischer Kohlenstoff-Gehalt in Grandma Rhonda-Ablagerungen (TOC im Mittel 2,5 Gew.-%) festgestellt, als in Mama Rhonda Ablagerungen (TOC im Mittel 7,9 Gew.-%). Dies zeigt den bedeutenden Einfluss von Thermokarst auf biogeochemische Kreisläufe, da in verschiedenen Seegenerationen organischen Kohlenstoff durch Permafrost-Tauen im Seesystem mobilisiert wird. Seesedimentkerne aus der Uferzone und dem zentralen Bereich von Peatball Lake auf der Arktischen Küstenebene von Alaska, ergaben eine junge Thermokarstdynamik von 1.400 Jahren, welche auf der Basis von absoluten Datierungen und Uferexpansionsraten rekonstruiert wurde. Nach der Seeinitiierung als Rest-See eines zuvor ausgelaufenen Seebeckens, vertiefte sich Peatball Lake verhältnismäßig schnell mit zunehmender Sauerstoffanreicherung der Wassersäule, wie aus laminierten Sedimenten und hohen Fe/Ti- und Fe/S-Verhältnissen im Sediment ersichtlich ist. Die Sedimente von Peatball Lake archivierten einen Wechsel des Ablagerungsregimes bei Ausdehnung der Seefläche und einen Wechsel der Sedimentquelle von ursprünglichen, rein terrestrischen Ablagerungen und bereits umgelagerten Sedimenten aus drainierten Seebecken. Angezeigt wird dieser Wechsel durch eine Veränderung im Eintrag organischen Materials in das Seesystem, was wiederum das Potential von Thermokarstseen bei der Aufarbeitung alten Kohlenstoffs aus degradierendem Permafrost im Einzugsgebiet verdeutlicht. Der Seesedimentkern von der Herschel Insel im Yukon (Kanada) deckt das gesamte Holozän ab. Nach der Seeentstehung um 11,7 cal ka BP und einer Zeit intensiver Thermokarstaktivität bis 11,0 cal ka BP, wird die Phase einer eher kontinuierlichen Sedimentation von einer Schichtlücke um 1,6 cal ka BP unterbrochen. Diese wurde entweder durch die Drainage des Sees oder einer allochthonen Rutschung instabiler Uferlinien verursacht. Die spezielle Situation des Sees auf einer Stauchendmoräne aus marinem Material spiegelt sich auch in dem Seesedimentarchiv wieder. Das Aussüßen des wachsenden Sees wird durch die abnehmende elektrische Leitfähigkeit im Porenwasser angezeigt. Der Wechsel von marinen und Süßwasserostrakoden- und Foraminiferengemeinschaften bestätigt zum einen die abnehmende Salinität des Sees, aber zeigt zum anderen auch episodische Umlagerung von allochthonem, marinem Sediment. Auf der Grundlange von Permafrost- und Seesedimentkernen zeigt diese Arbeit Beispiele spätquartärer Entwicklungsgeschichte typischer Arktischer Permafrostlandschaften im zentral-östlichen Beringia. Es werden komplexe Zusammenhänge zwischen lokalen Störungsprozessen, regionaler Umweltdynamik und globalen Klimaveränderungen aufgezeigt. Thermokarstseen spielen dabei eine wichtige Rolle im sich kontinuierlich verändernden Landschaftsbild der hohen Breiten und im Stoffkreislauf bei der Aufarbeitung organischer Substanz.show moreshow less

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  • SHA-1:09e2f3813b31c3377448dcfaf069999b2e68332d

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Metadaten
Author:Josefine Lenz
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-101364
Subtitle (English):insights from permafrost and lacustrine sediment cores
Subtitle (German):Einblicke durch Permafrost- und Seesedimentkerne
Advisor:Hans-Wolfgang Hubberten
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2016
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2016/11/25
Release Date:2017/01/11
Tag:Kohlenstoffkreislauf; Paläolimnologie; Permafrostdegradation; Thermokarstprozesse; periglaziale Landschaftsentwicklung; zentral-östliches Beringia
carbon cycling; central-eastern Beringia; paleolimnology; periglacial landscape evolution; permafrost degradation; thermokarst processes
Pagenumber:XII, 128, A-47
RVK - Regensburg Classification:TI 6800, TN 9400, TP 9600
Organizational units:Extern / Extern
Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Erd- und Umweltwissenschaften
Dewey Decimal Classification:9 Geschichte und Geografie / 91 Geografie, Reisen / 911 Historische Geografie
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